С3-путь фотосинтеза

Восстановительный пентозофосфатный цикл фиксации CO 2 (С 3 -путь, или цикл Кальвина), открытый американскими учеными Э. Бенсоном и М. Калвином в 1950-е годы, универсален и обнаруживается практически у всех автотрофных организмов. В этом цикле (рис.5) фиксация СО 2 осуществляется на пятиуглеродное соединение рибулезобисфосфат (РуБФ) при участии фермента рибулезобисфосфаткарбоксилазы (РуБФ-карбоксилазы). Первым стабильным продуктом являются две молекулы трехуглеродного соединения 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК), восстанавливаемая затем с использованием АТФ и НАДФН до трехуглеводных сахаров, из которых образуется конечный продукт фотосинтеза -- шестиуглеродная глюкоза. Субстратом ключевого фермента фотосинтетической фиксации СО 2 -- РуБФ-карбоксилазы -- наряду с СО 2 может быть и О 2 . При взаимодействии РуБФ с кислородом реализуется гликолатный, или С 2 -путь, известный как фотодыхание. Большинство наземных растений осуществляют фотосинтез по С 3 -пути. Типичные представители этой группы -- горох, фасоль, конские бобы, шпинат, салат, капуста, пшеница, овес, рожь, ячмень, свекла, подсолнечник, тыква, томаты и другие одно- и двудольные растения.

С4-путь фотосинтеза

У некоторых видов растений (в основном тропических и очень небольшого числа видов из умеренных широт) первыми стабильными соединениями при фиксации СО 2 являются четырехуглеродные органические кислоты -- яблочная и аспарагиновая. Такие растения отличаются видимым отсутствием фотодыхания (или очень низким уровнем), высокой скоростью фиксации СО 2 в расчете на единицу поверхности листа, более высокой общей фотосинтетической продуктивностью, быстрой скоростью роста. Функционально и анатомически в ткани их листьев выделяют 2 типа фотосинтезирующих клеток -- клетки паренхимной обкладки, окружающие проводящие пучки, и клетки мезофилла.

Для всех растений этой группы характерна катализируемая ферментом фосфоенолпируваткарбоксилазой (ФЕП-карбоксилазой) фиксация СО 2 на трехуглеродное соединение фосфоенолпируват (ФЕП) с образованием щавелевоуксусной кислоты, которая далее превращается в яблочную (малат) или аспарагиновую кислоту. Эти реакции протекают в цитоплазме клеток мезофилла листа. С 4 -кислоты затем поступают в клетки обкладки проводящих пучков, где подвергаются декарбоксилированию, а высвободившаяся СО 2 фиксируется через цикл Кальвина. Следовательно, у С 4 -растений фотосинтетический метаболизм углерода пространственно разделен и осуществляется в клетках различного типа, т. е. по «кооперативному механизму», подробно описанному австралийскими исследователями М. Хетчем и К Слэком и советским биохимиком Ю. С. Карпиловым в конце 1960-1970 годов.

В соответствии с первичным механизмом декарбоксилирования С 4 -кислот все С 4 -растения подразделяются на три группы. НАДФ-малатдегидрогеназные растения осуществляют декарбоксилирование малата с помощью фермента НАДФ-малатдегидрогеназы в хлоропластах клеток обкладки проводящих пучков. Типичные представители этой группы -- кукуруза, сахарный тростник, сорго, росичка кроваво-красная и другие злаки. НАД-малатдегидрогеназные растения осуществляют декарбоксилирование малата с помощью митохондриальной НАД-малатдегидрогеназы. Первичным продуктом фиксации углекислоты у них является аспартат. К типичным представителям этой группы принадлежат различные виды амаранта, портулак огородный, просо обыкновенное, бизонья трава, растущая в прериях Северной Америки и др. Фосфоенолпируват-карбоксикиназные растения осуществляют декарбоксилирование аспартата в цитоплазме клеток обкладки проводящих пучков с образованием ФЕП. Типичные представители -- некоторые виды проса, хлориса, бутелуа.

У суккулентных растений, произрастающих в условиях водного дефицита, фиксация СО 2 осуществляется с помощью так называемого САМ-пути (метаболизм кислот по типу растений семейства толстянковых). Первичный продукт фиксации углекислоты (яблочная кислота) образуется у них в темновой период и накапливается в вакуолях клеток листа. В дневное время при закрытых устьицах (которые закрываются для сохранения воды в тканях листа) осуществляется декарбоксилирование этой кислоты, а освобождающаяся СО 2 поступает в цикл Кальвина.

Возникновение С4- и САМ-путей фотоассимиляции СО 2 связано с давлением на высшие наземные растения засушливого климата. С 4 -растения хорошо адаптированы к высокой интенсивности света, повышенным температурам и засухе. Оптимальная температура для осуществления фотосинтеза у них выше, чем у С 3 -растений. С 4 -растения наиболее многочисленны в зонах с высокими температурами. Они более экономно используют воду по сравнению с С 3 -растениями. В настоящее время известно, что все растения с С 4 -фотосинтезом -- цветковые (из 19 семейств:16 -- двудольных и 3 --однодольных). Не обнаружено ни одного семейства, которое бы состояло только из С 4 -растений.

УДК 581.1:577.1

ЭВОЛЮЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ С4-ФОТОСИНТЕЗА

В.В. Иванищев

Рассмотрены вопросы, касающиеся многообразия проявлений фотосинтетической ассимиляции углекислого газа у растений и эволюционных аспектов С4-типа фотосинтеза. Показано, что за последние полтора десятилетия получены экспериментальные данные, которые существенным образом меняют наши представления о путях возникновения С4-фотосинтеза и реализации его особенных свойств у ряда типичных С3-растений. Обсуждаются перспективы использования таких знаний для выработки стратегии по улучшению эффективности фотосинтеза С ¡-растений для повышения их продуктивности.

Ключевые слова: растения, ассимиляция неорганического углерода, С3-С4-фотосинтез, С4-фотосинтез, эволюционные аспекты, продуктивность растений.

Введение

Фотосинтез - главный путь метаболизма, благодаря которому на нашей планете идет преобразование неорганического углерода в органические соединения. Исследование механизмов фотосинтетического процесса привело к формированию представлений о биохимических путях ассимиляции неорганического углерода С3- и С4-типов. После открытия оксигеназной реакции Рубиско ф-рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилазы-оксигеназы, КФ 4.1.1.39) было принято говорить о фотодыхании, как параллельном процессе . Отдельные специалисты, в т.ч. автор, внесший значительный вклад в представления о биохимии фотодыхания, стали выделять и так называемый С2-фотосинтез . Обнаруженные особенности транспорта (не в митохондрии и пероксисомы этой же клетки) и метаболизма там фосфогликолата (образованного при окислении кислородом D-рибулозо-1,5-бисфосфата), а его перенос и метаболизм в клетках обкладки с последующим «улавливанием» выделяющегося СО2 хлоропластами в этих клетках позволили сформулировать представления о С2-фотосинтезе . В таком случае даже оксигеназная реакция Рубиско рассматривается как поставщик СО2, в результате чего общая эффективность фотосинтеза, хотя бы, не сильно снижается.

Активные исследования растений, чья жизнь приурочена к специфическим экологическим условиям, за последние три десятилетия позволили обнаружить некоторые вариации в проявлении разных путей метаболизма углерода при фотосинтезе. При этом выявлена высокая морфологическая и биохимическая пластичность как С3-, так и С4-растений. Кроме того, было открыто многообразие механизмов, за счет которых растения С3-типа проявляли ряд свойств, характерных для растений С4-типа .

В специфических экологических условиях засоления и засухи Центральной Азии были обнаружены растения, обладающие С4-подобным путем фотосинтеза без классической Кранц-анатомии листа . Более того, благодаря еще одному открытию стирается резкая грань между двумя основными типами растений по механизму фиксации СО2. Показано, что в клетках, окружающих центральную жилку проводящей системы листьев риса (типичного С3-растения), присутствуют ключевые ферменты, характерные для С4-типа фотосинтеза .

Всё это делает необходимым провести обобщение полученных результатов с целью определения дальнейших направлений исследований в данной области науки и возможных путей повышения эффективности фотосинтеза (и продуктивности) классических С3-растений, которые составляют большинство среди важнейших сельскохозяйственных культур.

Анатомо-морфологические особенности и пластичность

С4-фотосинтеза

Растения с С4-типом фотосинтеза обладают, как известно, целым комплексом особенностей. Они обеспечивают растениям ряд важных характеристик практического характера - большую устойчивость к некоторым факторам среды (повышенной температуре, засухе), более экономный расход воды, большую продуктивность при меньшем расходе азота , что объясняет экономическую заинтересованность производителей при возделывании подобных сельскохозяйственных культур. Характерные свойства структуры листа, в первую очередь, обеспечивают С4-растениям СО2-концентрирующий механизм, позволяющий предотвращать потери углекислого газа, и тем самым снижать фотодыхание, из-за которого эффективность фотосинтеза у С3-растений может уменьшаться на величину до 40%, особенно в условиях повышенной температуры и засухи .

У С3-растений можно наблюдать два физиологически и пространственно разделенных типа клеток, а именно: одна группа более или менее равномерно распределена и образует мезофилл, другая часть клеток сосредоточена вокруг проводящих пучков. Такая картина делает их похожими на С4-растения. Однако биохимически такие клетки одинаковы.

С другой стороны, некоторые растения С3-типа проявляют характеристики С4-растений в отсутствие двух анатомически существенно различных типов клеток в соответствии с классическими представлениями о С4-пути фиксации углекислого газа . Несмотря на это, С4-фотосинтез характеризуется рядом строго специфических функциональных особенностей. Понимание эволюционных преобразований в этом аспекте

базируется на представлениях об изменении характеристик клеток и их генетическом предопределении.

У большинства С4-растений функционирование ФЕП-карбоксилазы и цикла Кальвина пространственно разделено по таким двум типам клеток. Высокая плотность жилок проводящих пучков приводит к тому, что соотношение объемов тканей, образованных клетками мезофилла и обкладки сосудистых пучков, составляет примерно 1:1 .

Изучение образования этих типов клеток показывает, что в ходе онтогенеза внутренние слои клеток могут дифференцироваться из клеток прокамбия, а внешние слои - из клеток меристемы. Филогенетический анализ показывает, что С4-растения появились благодаря нескольким разным путям эволюционных изменений. При этом стенки клеток обкладки проводящих пучков могут содержать суберин, который ограничивает диффузию СО2 за пределы таких клеток. В то же время аналогичный слой суберина обнаруживают и у некоторых С3-растений на внешних стенках внутренних слоев обкладки сосудистых пучков. Таким образом, никаких характеристик, которые специфичны только для клеток листьев С4-растений, до сих пор не обнаружено .

Другим важным моментом является расстояние между клетками двух типов для обеспечения максимальной скорости обмена метаболитами между ними. Это объясняет то, что количество слоев клетки обкладки ограничивается одним-двумя. В то же время повышение эффективности процесса фотосинтеза достигается, с другой стороны, и небольшим количеством клеток мезофилла между клетками обкладки, число которых может составлять у некоторых видов до четырех. При этом количество клеток между проводящими пучками в целом - невелико. Чтобы уменьшить расстояние между двумя типами клеток, в листьях иногда встречаются бесхлорофилльные клетки .

В то же время изучение разнообразных двудольных С4-растений показало, что в сравнении с типичными С3-растениями многие их анатомо-морфологические характеристики оказались сходными. Это касается таких показателей как плотность жилок на 1 мм2 поверхности листа, толщина листа, процент межклеточного пространства. Другие показатели имели более широкие или узкие пределы изменчивости, либо они были сдвинуты в сторону более высоких или низких величин .

Третьим важным обстоятельством, характерным для С4-растний, является большой компартмент, обеспечивающий максимально возможное связывание (без потерь) выделяемого СО2 при декарбоксилировании четырехуглеродного соединения. Это объясняет наличие увеличенного количества хлоропластов, присутствующих в клетках обкладки. Превышение объема клеток обкладки над объемом клеток мезофилла достигается несколькими путями, а именно: за счет увеличения числа хлоропластов в клетках обкладки, увеличения числа клеток обкладки, либо

Количества проводящих пучков или изменения диаметра жилок . Описанные показатели являются взаимозависимыми и, отчасти, определяются экологическими условиями, которые обеспечивают, в первую очередь, необходимые параметры водного обмена и сопутствующие показатели, такие как гидравлическое давление, скорость поступления и передвижения воды в растении и т.п. Всё это обусловливает разнообразие анатомического проявления С4-синдрома.

Заключительная особенность С4-растений состоит в том, что хлоропласты клеток обкладки сосудистых пучков и клеток мезофилла различаются не только по числу, но и морфологически, и функционально. В то же время, большое количество хлоропластов в клетках обкладки характерно не только для С4-растений, но и для растений, с так называемым, С2-фотосинтезом, при котором, образуемый при фотодыхании глицин, переносится из клеток мезофилла в клетки обкладки, где, выделяемый при его метаболизме СО2, далее захватывается хлоропластами и используется в цикле Кальвина . Такие особые черты реализации этого типа фотосинтеза рассматриваются исследователями как один из путей, благодаря которому эволюция механизмов фотосинтетической ассимиляции неорганического углерода может быть представлена в виде последовательности: С3^С2^С4 . К другим характерным чертам С4-синдрома можно отнести особенности распределения между разными клетками листьев растений таких органелл как митохондрии и пероксисомы, а также особенности ультраструктуры и фотохимических свойств хлоропластов .

Описанные выше показатели весьма пластичны. В зависимости от условий среды они могут существенно меняться, благодаря чему растения с С3-путем фотосинтеза могут приобретать черты, характерные для С4-пути. В то же время многообразие возможных анатомо-морфологических изменений различных черт у С4-растений позволяет им поддерживать свои физиолого-биохимические характеристики на необходимом уровне. Однако в целом пластичность С3-растений в этом аспекте оценивается выше, несмотря на то, что экспериментальных данных в этой области явно не хватает .

Биохимические особенности проявлений С4-фотосинтеза

у высших растений

Классические общие представления о С4-пути фиксации неорганического углерода включают три основных разновидности использования первого стабильного продукта - четырехуглеродного соединения (малата и/или аспартата) в качестве источника СО2 для D-рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилазы-оксигеназы (Рубиско) - ключевого фермента цикла Кальвина. Такие формы растений обозначают как НАДФ-

малик-энзимная, НАД-малик-энзимная и ФЕП-карбоксикиназная - по названию ключевого фермента, обеспечивающего декарбоксилирование четырехуглеродного соединения с выделением СО2 . Позднее у трав С4-типа были обнаружены 14 разновидностей анатомо-биохимических комбинаций . Они различались по таким характеристикам, как размеры клеток мезофилла и клеток обкладки сосудистых пучков, общие объемы клеток разного типа, особенности расположения хлоропластов в клетках, наличие числа гран в хлоропластах и т.д. с соответствующими вариациями в распределении по клеткам и величине активности ферментов.

В противоположность этим травам у двудольных известны только два типа растений: НАДФ-малик-энзимного и НАД-малик-энзимного типа, в то время как ФЕП-карбоксикиназа у ряда видов вовлечена во вторичные пути метаболизма углеводов . При этом анатомо-биохимические особенности таких растений также связаны с экологическими особенностями их роста и развития. Так, например, исследование позволило выявить пять разновидностей Кранц-анатомии листа у С4-представителей семейства Chenopodiaceae.

Исследование биохимических характеристик двудольных С4-растений показало, что в целом описанные показатели были сходными с теми, которые характерны для других С4-видов . В качестве особенностей следует еще раз отметить, что ФЕП-карбоксикиназа не вносит существенного вклада в обмен дикарбоновых кислот в отличие от однодольных трав. С другой стороны, остается во многом неясным присутствие сразу двух декарбоксилирующих ферментов у одного вида (НАД-малик-энзима + ФЕП-карбоксикиназы или НАДФ-малик-энзима + ФЕП-карбоксикиназы). Отчасти это можно объяснить, например, необходимостью синтеза ФЕП (для шикиматного пути), экономией АТФ для обеспечения других процессов и т.п. .

В итоге, было установлено, что среди растений С4-типа преобладают виды с атрипликоидной (характерной для представителей рода Atriplex) анатомией листа и НАДФ-малик-энзимной биохимией.

Особенности «промежуточных» С3-С4-растений

Исследование разных представителей растительного царства дало возможность говорить о специфической фотосинтетической группе, которую стали обозначать, как С3-С4-растения . Характерными чертами этой группы (С3-С4-интермедиатов) являются уникальные особенности газообмена листьев, которые показывают низкую СО2 компенсационную точку и ее криволинейную зависимость от концентрации кислорода в среде. Это обусловлено особенной компартментализацией (местом протекания) фотодыхания в клетках без изменения фотосинтетического метаболизма углерода. Большинство

представителей интермедиатов обладают фотосинтезом С3-типа, а их основной характеристикой является наличие пониженного фотодыхания

Анатомическое строение листьев С3-С4-интермедиатов отличает их от типичных С3- и С4-растений. В отличие от С4-растений у интермедиатов клетки мезофилла не концентрируются вокруг клеток обкладки сосудистых пучков и расположены более рыхло в структуре листа. При этом в клетках интермедиатов содержится большое количество органелл, причем многие из них располагаются в клетках обкладки центрипетально (к центру). Число митохондрий и пероксисом здесь - в четыре раза больше, чем в клетках мезофилла, а митохондрии - вдвое крупнее . В то же время количество плазмодесм между клетками обкладки и мезофилла намного больше, чем у С3-растений, и приближается к показателю, характерному для С4-типа. Это обеспечивает быстрый обмен метаболитами между разными клетками листьев растений.

Ключевой фермент, за счет которого происходит выделение СО2 -глицин-декарбоксилаза, в основном, локализован в клетках обкладки. Особенности взаимного расположения различных органелл в клетках позволяют С3-растениям улавливать до 50 % образуемого (в реакциях преобразования глицина) СО2, в то время как у С3-С4-интермедиатов эта величина может достигать 75 % .

В результате указанные особенности дают возможность интермедиатам проявлять лучшие характеристики в эффективности фотосинтетической ассимиляции СО2, особенно при повышенной температуре, в использовании воды и др., что успешно описывается с помощью математической модели .

Изучение особенностей биохимии показало, что интермедиаты не обладают типичным специфическим распределением ключевых ферментов (ФЕП-карбоксилазы и Рубиско) по разным клеткам, как это имеет место у растений с С4-типом фотосинтеза, показывают неэффективность работы имеющихся компонентов ферментативных систем С4-типа, характеризуются низкой активностью ферментов, связанных с обменом С4-дикарбоновых кислот (ФЕП-карбоксилазы, НАДФ-малат-дегидрогеназы, НАДФ-малик-энзима, пируват-ортофосфат-дикиназы). При этом значительные количества меченого углерода из ассимилируемого 14СО2 оказываются в составе глицина, серина и, особенно, фумарата . В то же время преимущества некоторых С3-С4-растений обусловлены только наличием активного обмена глицина между клетками листьев, о чем говорилось выше. Однако активный обмен углерода должен сопровождаться и активным балансом азота, но картина этого процесса остается неизвестной.

С4-фотосинтез без Кранц-анатомии листа

С4-фотосинтез, обусловленный наличием Кранц-анатомии листа, предполагает, что клеточная стенка между клетками обкладки и мезофилла препятствует потерям СО2, выделяемого при декарбоксилировании С4-метаболита . Однако изучение растительного многообразия, приуроченного к существованию в различных экологических нишах, позволило обнаружить в Центральной Азии растения, в листьях которых многие черты С4-фотосинтеза реализуются в пределах одной клетки без кардинального изменения анатомии листа. При этом известные данные о механизмах концентрирования СО2 у водных растений, а также наличие у некоторых из них С4-фотосинтетического цикла в пределах индивидуальной клетки во многом определяются условиями существования в водной среде.

В отличие от них у наземных растений должна существовать физическая граница (толстая клеточная стенка, мембрана, оболочка), разделяющая клетки, где происходит фотосинтетическая ассимиляция углекислого газа, и клетки, где функционирует цикл Кальвина (рис.).

Упрощенная схема компартментализации С^-фотосинтеза (показаны два типа клеток, между которыми пространственно разделены ассимиляция неорганического углерода и его включение

в продукты цикла Кальвина)

Наземные растения семейства СНвпороШасвав, представленные более чем 1300 видами, часто являются устойчивыми к засухе и засолению, что во многом обеспечивается наличием у них С4-типа фотосинтеза. Среди представителей этого семейства были обнаружены виды, у которых С4-фотосинтез реализуется в пределах одной клетки без

наличия классической Кранц-анатомии листа . Это - Bienertia cycloptera, B. sinuspersici, Suaeda aralocaspica. Они растут в условиях засоления и/или нехватки воды. При этом размеры растений существенно различаются, а именно: если высота B. cycloptera и Suaeda aralocaspica составляет 20 ... 50 см, то растения B. sinuspersici могут достигать 130 ... 160 см.

У этих видов обнаружены два типа топографического распределения органелл внутри клеток. Так, в клетках X aralocaspica различают дистальную и проксимальную части. В дистальной части локализованы агранальные хлоропласты, в которых не синтезируется крахмал, но есть фермент - пируват-ортофосфат-дикиназа для синтеза ФЕП, и здесь (в этой части клетки) осуществляется фиксация СО2 с образованием С4-продукта. В проксимальной части клетки сосредоточены хлоропласты с ферментами цикла Кальвина и малик-энзимом, за счет которого малат преобразуется в пируват с выделением СО2 для его включения в продукты реакций цикла Кальвина с участием Рубиско и других ферментов.

В клетках видов рода Bienertia выделяют центральный компартмент и периферический. В периферической части расположены хлоропласты с малым количеством гран, почти нет митохондрий, но присутствуют ключевые ферменты С4-пути - пируват-ортофосфат-дикиназа и ФЕП-карбоксилаза, обеспечивающие синтез ФЕП и фиксацию углекислого газа, соответственно. В центральной части клетки сосредоточены митохондрии и хлоропласты с развитой гранальной структурой, большим количеством Рубиско и другими ферментами цикла Кальвина . При этом центральный компартмент для избегания потери СО2 окружен вакуолью (вакуолями) .

В то же время у описанных видов наблюдается разное соотношение активностей ключевых ферментов, важных для реализации С3- и С4-путей, что отличает их от настоящих С4-видов .

Еще одним интересным открытием можно признать обнаружение С4-подобного типа фотосинтеза в стеблях и черешках табака , а также в средних жилках листьев арабидопсиса (Arabidopsis ЛаНапа Ь.) -представителей двудольных. Эти особенные черты касаются наличия высокой активности всех ключевых ферментов С4-синдрома, в т.ч. одновременного присутствия высокой активности всех декарбоксилирующих ферментов (НАД- и НАДФ-малик-энзимов, а также ФЕП-карбоксикиназы).

Позднее аналогичное открытие было сделано для представителей однодольных. Так, в клетках, расположенных вокруг центральной жилки проводящего пучка листа типичного С3-растения - риса, была обнаружена подобная повышенная активность указанных выше ферментов . Использование авторами иммуноблот-анализа придает полученным

результатам весомое значение в качестве доказательной базы. Показано, что активность Рубиско в клетках этой части вдвое ниже, чем в других частях листовой пластинки. Активность ФЕП-карбоксилазы увеличена примерно на 30 %. В то же время активность каждого из декарбоксилирующих ферментов (НАД- и НАДФ-малик-энзимов, а также ФЕП-карбоксикиназы) в области средней жилки листа была в шесть и более раз выше. Активность еще одного важнейшего фермента - пируват-ортофосфат-дикиназы - в 7,5 раз превосходила этот показатель для клеток листовой пластинки.

С одной стороны, в ходе обсуждения исследователи интерпретируют такие данные, как один из природных (естественных) путей возможной эволюции и появления С4-фотосинтеза, с другой - такую картину авторы рассматривают как возможность для манипуляций человека по «улучшению» фотосинтеза С3-растений (о чем идут дискуссии с середины 70-х годов прошлого столетия ). Это касается, в первую очередь, такой значимой в мировом масштабе сельскохозяйственной культуры, какой является рис.

При этом авторы исследования значительную долю работы посвятили изучению особенностей работы пигментной системы хлоропластов, которая осуществляет энергетическое обеспечение синтеза органических соединений в ходе фотосинтеза .

С4-фотосинтез в свете эволюции

Появление растений, обладающих С4-типом фотосинтеза, в ходе эволюции, как полагают многие авторы, происходило несколько десятков раз независимыми путями . Основная масса таких растений на сегодняшний день представлена травами (примерно 4600 видов) и осоками (1600 видов), в то время как у двудольных - растения С4-типа представлены примерно 1600 видами, что позволяет говорить о полифилетическом эволюционном происхождении С4-синдрома . При этом эволюционное появление нового пути фотосинтетической ассимиляции СО2 должно было включать ряд этапов, затрагивающих развитие Кранц-анатомии листа, создание СО2-помпы для концентрирования углекислого газа, локализацию и становление С4-цикла, изменения в экспрессии генов с дальнейшей оптимизацией свойств ферментов .

Достаточно ясная и простая теоретическая картина появления С4-фотосинтеза, безусловно, затрагивает и вопросы, касающиеся изменений путей метаболизма других химических элементов и, в первую очередь, азота и серы. Поэтому появление злаковых растений с С4-синдромом могло произойти достаточно давно - примерно 30 млн лет назад, в то время как появление двудольных с таким типом фотосинтеза оценивают в 20 млн лет .

Возникновение С4-фотосинтетического пути рассматривали ранее через появление С3-С4-интермедитов как переходных форм. Изучение многообразия особенностей расположения органелл в клетках мезофилла и обкладки сосудистых пучков, а также ряда ферментов показало, что ключевой механизм в появлении С4-синдрома состоит, по-видимому, в перераспределении между разными клетками глицин-декарбоксилазы, активность которой была резко снижена или потеряна в клетках мезофилла. Косвенным доказательством такого пути является то, что активность этого фермента у С4-растений присутствует только в клетках обкладки. В то же время остается не ясным, почему у таких С3-С4-видов при наличии глицинового «шаттла» (переноса) из одного типа клеток в другой с последующим декарбоксилированием предсказываемые теорией преимущества в скорости ассимиляции СО2, эффективности использования воды и азота не проявляются в условиях обычных концентраций углекислого газа .

Рассмотрение возможностей анатомических изменений структуры листа показывает, что каждая особенность, характерная для С4-синдрома, у С3-растений может меняться независимо (размеры клеток мезофилла и обкладки, толщина листа, расстояние между жилками проводящих пучков), в то время как для С4-фотосинтеза важна координация подобных изменений. С этой позиции переход к С4-растениям многие исследователи рассматривают через возникновение так называемого С2-фотосинтеза, акцентируя внимание на транспорте глицина и его декарбоксилировании в клетках обкладки .

Таким образом, полифилетическое происхождение С4-синдрома стало возможным только благодаря появлению многочисленных характерных черт, что было скоординировано в ходе естественного отбора в меняющихся условиях среды.

Перспективы создания механизмов концентрирования

СО2 у С3-растений

Теоретические изыскания и ряд экспериментальных данных позволили говорить о потенциальной генетической трансформации С3-растений, благодаря которой можно было бы улучшить их (приблизить по фотосинтетическим показателям, устойчивости к факторам среды и продуктивности к С4-растениям) . Позже была экспериментально обоснована возможность работы подобного механизма только при участии оксалоацетат-декарбоксилазы .

В настоящее время решение проблемы повышения эффективности фотосинтеза (и как конечный результат - увеличение продуктивности) С3-растений, представляющих основную массу возделываемых сельскохозяйственных культур, рассматривается в виде нескольких путей.

При этом многие из предложенных решений вызывают обоснованные возражения .

Отдельный интерес в этом аспекте представляет недавняя работа , которая посвящена не только подробному разбору особенностей проявления С4-синдрома для понимания эволюции путей фотосинтеза, но и обоснованию генетического детерминизма эволюции С3-растений в С4-тип. При этом отмечается, что до сих пор генетические механизмы, которые обеспечили появление у растений специфической анатомии листа, характерной для С4-фотосинтеза, остаются неизвестными, и это - главная проблема в попытках биоинженерии по приданию новых характеристик или трансформации большинства важнейших сельскохозяйственных С3-растений в С4-тип.

Особенности генетических механизмов могут состоять в том, что многие черты С4-фотосинтеза реализуются, по-видимому, с помощью многих генов, проявление активности которых имеет малые эффекты, которые только суммарно дают необходимый эффект. При этом пути генетического детерминизма, как показывают данные о различных С3-С4- и С4-растениях, могут быть многообразными, поскольку у представителей отдельных семейств и родов переходные формы Сз^С3-С4^С4 имеют особенные черты и свойства. В этой связи вначале необходимо отследить такие особенности переходов в семействах и родах растений, которые являются таксономически близкими к соответствующим представителям важных сельскохозяйственных культур.

Имеющие место проблемы по трансформации С3-растений в С4-тип описаны в работе Gowik и Westhoff . Авторы отмечают не только необходимость разделения по разным клеткам реакций с участием ФЕП-карбоксилазы и Рубиско, но и затрагивают вопросы о необходимости изменений в экспрессии разных генов. Это связано, например, с тем, что количество Рубиско у С4-растений в несколько раз ниже, чем у С3-растений. При этом механизмы регуляции в клетках каждого типа (мезофилла и обкладки) существенно различаются. Так, у С4-растения Flaveria trinervia в клетках мезофилла присутствует цис-регуляторный элемент, который обозначают как MESOPHYLL EXPRESSION MODULE1. Такой же генетический элемент есть и в генах растений С3-типа этого рода Flaveria, но он не обладает необходимой специфичностью проявления. Небольшая модификация такого элемента достаточна для специфической экспрессии указанного гена .

В противоположность изложенному выше специфическая (для клеток обкладки сосудистых пучков) экспрессия одного из генов, кодирующих малую субъединицу Рубиско, FbRbcSl, регулируется в основном на посттранскрипционном уровне. При этом кажется, что стабильность транскриптов этого гена в клетках мезофилла и обкладки различная .

Таким образом, трансформация Сз-растений в С4-тип во многом связана с изменением регуляции активности разных генов. При этом ключевую роль играют, по-видимому, GOLDEN2-LIKE транскрипционные факторы GLK1 и GLK2, которые характерны для всех наземных растений . У растения Arabidopsis они контролируют экспрессию более 100 генов, многие из которых связаны с фотосинтетическим процессом, в то время как у кукурузы (С4-растения) наблюдали специфичную для клеток обкладки экспрессию генов этой группы . Такие результаты дали основание авторам сделать заключение о том, что эти белки являются важными для генной регуляции в образовании клеток мезофилла и обкладки сосудистых пучков. Однако дальнейшие шаги могут касаться оптимизации количества и свойств многих ферментов.

Таким образом, эволюция фотосинтеза представляется весьма сложной и многообразной, причем проблемы биоинженерии и управления продуктивностью растений с помощью генетических манипуляций, по-видимому, имеют перспективы решения с учетом накопленных знаний о путях регуляции морфологических и биохимических характеристик, важных для проявления более эффективного С4-пути фотосинтеза.

Список литературы

1. Хелдт Г.-В. Биохимия растений. М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. 471 с.

2. Tolbert N. E. The C2 oxidative photosynthetic carbon cycle // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1997. V. 48. P. 1-25.

3. Lundgren M.R., Osborne C.P., Christin P.-A. Deconstructing Kranz anatomy to understand C4 evolution // J. Exp. Bot. 2014. V. 65 (13). P. 33573369.

4. Proof of C4 photosynthesis without Kranz anatomy in Bienertia cycloptera (Chenopodiaceae) / E.V. Voznesenskaya // The Plant Journal. 2002. V. 31 (5). P. 649-662.

5. Sage R.F. C4 photosynthesis in terrestrial plants does not require Kranz anatomy // TRENDS in Plant Science. 2002. V. 7 (7). P. 283-285.

6. Wickramage A.T. Single cell C4 photosynthesis. 2008. https://www.slideshare.net/anupathisalwickramage/single-cell-c4photosynthesis.

7. The existence of C-4-bundle-sheath-like photosynthesis in the mid-vein of C-3 rice / W.J. Shen // Rice. 2016. V. 9. No 20. DOI: 10.1186/s12284-016-0094-5.

8. Gowik U., Westholl P. The path from C3 to C4 photosynthesis // Plant Physiol. 2011. V. 155. P. 56-63.

9. Muhaidat R., Sage R.F., Dengler N.G. Diversity of Kranz anatomy and biochemistry in C4 eudicots // Amer. J. Bot. 2007. V.94 (3). P. 362-381.

10. C2 photosynthesis generates about 3-fold elevated leaf CO2 levels in the C3-C4 intermediate species Flaveria pubescens / O. Keerberg //

Journal of Experimental Botany. 2014. V. 65. No. 13. P. 3649-3656. doi:10.1093/jxb/eru239.

11. Glycine decarboxylase is confined to the bundle-sheath cells of leaves of C3-C4 intermediate species / C.M. Hylton // Planta. 1988. V. 175. P. 452-459.

12. Sage R.F., Sage T.L., Kocacinar F. Photorespiration and the evolution of C4 photosynthesis // Annual Review of Plant Biology. 2012. V. 63. P. 19-47.

13. Phenotypic landscape inference reveals multiple evolutionary paths to C4 photosynthesis / B.P. Williams // eLife 2. 2013. e00961. doi.org/10.7554/eLife.00961.

14. Эдвардс Дж., Уокер Д. Фотосинтез С3- и С4-растений: механизмы и регуляция. М.: Мир, 1986. 590 с.

15. Monson R.K. CO2 assimilation in C3-C4-intermediate plants // Photosynthesis: Physiology and Metabolism / R.C. Leegood, T.D. Sharkey, S. von Caemmerer (eds). Kluwer Acadimic Publishers. 2000. P. 533-550.

16. Sage R.F. The evolution of C4 photosynthesis // New Phytologist. 2004. V. 161. P. 341-370.

17. Hunt S., Smith A.M., Woolhouse H.W. Evidence for a light-dependent system for reassimilation of photorespiratory which does not include a cycle, in the intermediate species Moricandia arvensis // Planta. 1987. V. 171. P. 227- 234.

18. von Caemmerer S. A model of photosynthetic assimilation and carbon-isotope discrimination in leaves of certain intermediates // Planta. 1989. V. 178. P. 463-474.

19. Иванищев В.В. Об определении эффективности карбоксилирования у растений, обладающих механизмом концентрирования СО2 // Физиология растений. 1992. Т. 39. № 3. С. 437444.

20. Hibberd J.M., Quick W.P. Characteristics of C4 photosynthesis in stems and petioles of C3 flowering plants // Nature. 2002. V. 415 (6870). P. 451-454. doi:10.1038/415451a.

21. C4 acid decarboxylases required for C4 photosynthesis are active in the mid-vein of the C4 species Arabidopsis thaliana, and are important in sugar and amino acid metabolism / N.J. Brown // Plant J. 2010. V. 61(1). P. 122-133. doi:10.1111/j.1365-313X.2009.04040.x.

22. Магомедов И.М. К вопросу об истории открытия С4-фотосинтеза. Современное состояние проблемы // Успехи современного естествознания. 2015. № 1 (часть 6). С. 962-965.

23. Насыров Ю.С. Генетика фотосинтеза и селекция. М.: Знание, 1982. 64 с.

24. Абдуллаев А., Горенкова Л.Г., Иванищев В.В. О распределении некоторых ферментов метаболизма С4-кислот в хлоропластах ржи // Физиология растений. 1989. Т. 36. № 4. С. 665-668.

25. Иванищев В.В. Биологическое значение метаболизма оксало-ацетата в хлоропластах С3- растений // Физиология растений. 1997. Т. 44. № 3. С. 462-470.

26. Meyer V., Griffiths H. Origins and diversity of eucariotic CO2-concentrating mechanisms: lessons for the future // J. Exp. Bot. 2013. V. 64. No 3. P. 769-786.

27. Иванищев В.В. Проблемы фотосинтетической ассимиляции неорганического углерода высшими растениями // Вестник ГОУ ДПО ТО "ИПК И ППРО ТО". Тульское образовательное пространство. 2017. № 3 (в печати).

28. Evolution and function of a cis-regulatory module for mesophyllspecific gene expression in the C4 dicot Flaveria trinervia / M. Akyildiz // Plant Cell. 2007. V. 19. P. 3391-3402.

29. Patel M., Siegel A.J., Berry J.O. Untranslated regions of FbRbcS1 mRNA mediate bundle sheath cell-specific gene expression in leaves of a C4 plant // J. Biol Chem. 2006. V. 281. P. 25485-25491.

30. Waters M.T., Langdale J.A. The making of a chloroplast // EMBO J. 2009. V. 28. P. 2861-2873.

Иванищев Виктор Васильевич, д-р биол. наук, ст. науч. сотрудник, зав. кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого

EVOLUTIONARY ASPECTS OF C4-PHOTOSYNTHESIS V.V. Ivanishchev

The review deals with the variety of manifestations of photosynthetic assimilation of carbon dioxide in plants and the evolutionary aspects of the C4-type photosynthesis. It is shown that over the last decade and a half, experimental data have been obtained that significantly change our understanding of the ways of the onset of C4 photosynthesis and the realization of its specific properties in a number of typical C3 plants. The prospects of application such knowledge for developing a strategy for improving the efficiency of photosynthesis of C3 plants are discussed in order to increase their productivity.

Key words: plants, assimilation of inorganic carbon, C3-C4-photosynthesis, C4-photosynthesis, evolutionary aspects, plant productivity.

Ivanishchev Viktor Vasiljevich, Doctor of Biology, Senior Researcher, head of chair, [email protected], Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University

В результате фотохимических реакции в хлоропластах создается необходимый уровень АТР и NADPH. Эти конечные продукты световой фазы фотосинтеза стоят на входе в темновую фазу, где СО 2 восстанавливается до углевода:

Сами по себе АТР и NADPH не в состоянии восстановить СО 2 . Очевидно, и темновая фаза фотосинтеза - сложный процесс, включающий большое количество реакций. Кроме того, существуют различные пути восстановления СО 2 . В настоящее время известны так называемые С 3 -путь и С 4 -путь фиксации СО 2 , фотосинтез по типу толстянковых (САМ-метаболизм) и фотодыхание.

С 3 -путь. Этот способ ассимиляции СО 2 , присущий всем растениям, в 1946-1956 гг. был расшифрован американским биохимиком М. Кальвином и его сотрудниками, в силу чего он получил название цикла Кальвина . Этот цикл, весьма напоминающий обращенный пентозофосфатный путь дыхания, состоит из трех этапов: карбоксилирования, восстановления и регенерации.

1. Карбоксилирование. Молекулы рибулозо-5-фосфата фосфорилируются с участием АТР и фосфорибулозокиназы, в результате чего образуются молекулы рибулозо-1,5-дифосфата, к которым в свою очередь присоединяется СО 2 с помощью рибулозодифосфаткарбоксилазы. Полученный продукт расщепляется на две триозы: 2 молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК).

2. Фаза восстановления. 3-ФГК восстанавливается до 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА) в два этапа. Сначала происходит фосфорилирование 3-ФГК при участии АТР и фосфоглицераткиназы до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, а затем восстановление 1,3-ФГК с помощью NADPH и дегидрогеназы фосфоглицеринового альдегида.

3. Фаза регенерации первичного акцептора диоксида углерода и синтеза конечного продукта фотосинтеза. В результате описанных выше реакций при фиксации трех молекул СО 2 и образовании шести молекул восстановленных 3-фосфотриоз пять из них используются затем для регенерации рибулозо- 5-фосфата, а один - для синтеза глюкозы. 3-ФГА под действием триозофосфатизомеразы изомеризуется в фосфодиоксиацетон. При участии альдолазы 3-ФГА и фосфодиоксиацетон конденсируются с образованием фруктозе-1,6-дифосфата, у которого отщепляется один фосфат с помощью фруктозе-1,6- дифосфатазы. В дальнейших реакциях, связанных с регенерацией первичного акцептора СО 2 , последовательно принимают участие транскетолаза и альдолаза. Транскетолаза катализирует перенос содержащего два углерода гликолевого альдегида от кетозы на альдозу.

1 – фосфорибулокиназа, 2 – рибулозодифосфаткарбоксилаза, 3 - фофсфоглицераткиназа, 4 – триозофосфатдегидрогеназа, 5 – триозофосфатизомераза, 6 – альдолаза, 7 – фосфатаза, 8 – транскетолаза, 9 – альдолаза, 10 – фосфатаза, 11 – транскетолаза, 12 – рибозофосфатизомераза, 13 – фосфокетопентоэпимераза

Альдолаза затем осуществляет перенос трехуглеродного остатка фосфодиоксиацетона на альдозу, в данном случае на эритрозо-4-фосфат, в результате чего синтезируется седогептулозо-1,7-дифосфат. Последний дефосфорилируется и под действием транскетолазы из него и 3-ФГА образуются ксилулозо-5-фосфат и рибозо-5-фосфат. Две молекулы ксилулозо-5-фосфата при участии рибулозофосфатэпимеразы и одна молекула рибозо-5-фосфата с участием рибозофосфатизомеразы превращаются в три молекулы рибулозо-5-фосфата, с которого начинается новый цикл фиксации СО 2 .

Из оставшейся неиспользованной 6-й молекулы 3-ФГА под действием альдолазы синтезируется (при повторении цикла) молекула фруктозе-1,6-дифосфата, из которой могут образовываться глюкоза, сахароза или крахмал:

Таким образом, для синтеза одной молекулы глюкозы в цикле Кальвина необходимы 12 NADPH и 18 АТР, которые поставляются в результате фотохимических реакций фотосинтеза.

К С 4 -растениям относится ряд культурных растений преиму­щественно тропического и субтропического происхождения - кукуруза, просо, сорго, сахарный тростник и многие злостные сорняки - свинорой, сыть округлая, ежовник крестьянский, просо куриное, просо крупное, гумай (сорго алепское), щирица, щетинник и др. Как правило, это высокопродуктивные растения, устойчиво осуществляющие фотосинтез при значительных по­вышениях температуры и в засушливых условиях.

Для листьев С 4 -растений характерно анатомическое строение кранц-типа (от нем. Kranz - венок, корона), т.е. наличие явно отличающихся друг от друга фотосинтезирующих клеток двух типов, которые располагаются концентрическими кругами: радиально расположенные вокруг проводящих пучков клетки обклад­ки и основной мезофилл.

Клетки обкладки проводящего пучка содержат крупные, ли­шенные гран (агранальные) хлоропласты. В клетках мезофилла находятся более мелкие гранальные хлоропласты. Эти два типа клеток физиологически не равноценны и специализируются на выполнении разных звеньев фотосинтеза. С 4 -цикл можно разде­лить на две стадии: карбоксилирование, происходящее в клетках мезофилла, и декарбоксилирование и синтез углеводов, идущие в клетках обкладки проводящих пучков. Общим для всех С 4 -расте­ний является то, что карбоксилированию подвергается фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП) при участии ФЕП-карбоксилазы и образуется щавелевоуксусная кислота (ЩУК), которая восстанавливается до яблочной кислоты или аминируется с образованием аспарагиновой кислоты.

Щавелевоуксусная, яблочная и аспарагиновая кислоты являются четырехуглеродными соединениями.

По способу декарбоксилирования при участии НАДФ-Н или НАД-малатдегидрогеназы (МДГ, называемой также маликэнзимом и яблочным фермен­том) или ФЕП-карбоксикиназы (ФЕП-КК) у С 4 -растений можно выделить три группы: НАДФ-МДГ, НАД-МДГ и ФЕП-КК-типы соответственно.

У НАДФ-МДГ-растений глав­ными метаболитами, вовлечен­ными в обмен между клетками, являются малат и пируват (ПВК), у НАД-МДГ-растений - аспартат и аланин и у ФЕП-КК-растений - аспартат и ФЕП. Важ­нейшие сельскохозяйственные культуры - кукуруза, сорго, са­харный тростник и такие распространенные сорняки, как сыть, ежовник, щетинник, гумай, относятся к НАДФ-МДГ-типу.

Рассмотрим С 4 -цикл восстановления СО 2 на примере этих растений. СО 2 , поступающий в лист через устьица, попадает в цитоплазму клеток мезофилла, где при участии ФЕП-карбоксилазы вступает в реакцию с ФЕП, образуя щавелевоуксусную кислоту (оксалоацетат, или ЩУК). Затем уже в хлоропластах оксалоацетат восстанавливается до яблочной кислоты (малата) за счет НАДФ-Н, образующегося в ходе световой фазы фотосинтеза; ЩУК в присутствии NH 4 может превращаться также в аспартат.

Затем малат переносится в хлоропласты клеток обкладки со­судистого пучка, где он подвергается окислительному декарбоксилированию, продуктом которого является пировиноградная кислота (ПВК). Последняя снова диффундирует в мезофилл, где при участии АТФ, образованной в световой фазе, происходит регенерация ФЕП, после чего цикл карбоксилирования повторя­ется с участием новой молекулы СО 2 . Образовавшиеся в резуль­тате окислительного декарбоксилирования малата СО 2 и НАДФ-Н поступают в цикл Кальвина, что приводит к образова­нию ФГК и других продуктов, свойственных С 3 -растениям. Сле­довательно, именно клетки обкладки выполняют роль основной ассимилирующей ткани, поставляющей сахара в проводящую систему. Клетки мезофилла выполняют вспомогательную функ­цию - подкачку СО 2 для цикла Кальвина. Таким образом, С 4 -путь обеспечивает более полное усвоение СО 2 , что особенно важно для тропических растений, где основным лимитирующим фактором фотосинтеза является концентрация СО 2 . Эффективность усвоения СО 2 С 4 -растениями увеличивается также за счет подачи НАДФ-Н в хлоропласты клеток обкладки. Эти хлороплас­ты имеют агранальное строение и специализируются на темновой фазе фотосинтеза, здесь практически не происходит нецик­лическое фотофосфорилирование. На один агранальный хлоро­пласт в среднем приходится 8-10 гранальных хлоропластов, осуществляющих первичную фиксацию СО 2 и нециклическое фотофосфорилирование. Такая компартментация процессов и кооперация функционирования тканей обеспечивают повышение продуктивности растений и позволяют накапливать СО 2 в орга­нических кислотах для осуществления фотосинтеза даже при закрытых устьицах в наиболее жаркое время дня. Это сокращает потери воды на транспирацию. Эффективность использования воды С 4 -растениями вдвое выше, чем у С 3 -растений. Физиолого-биохимические различия между С 3 и С 4 -растениями системати­зированы в таблице.

Сравнительная характеристика С 3 - и С 4 -растений

Поскольку в цикле Кальвина первичными продуктами включения неорганического углерода в органический являются трехуглеродные соединœения, данный процесс носит название С-3 путь фотосинтеза.

Важно заметить, что для синтеза одной молекулы глюкозы должно произойти шесть оборотов цикла Кальвина. В каждом обороте используются три молекулы АТФ (две для активирования двух молекул фосфоглицериновой кислоты и одна при регенерации рибулезодифосфата) и две молекулы НАДФ. Н 2 для восстановления кислоты в альдегид. Таким образом для синтеза одной молекулы глюкозы крайне важно потратить 12 молекул НАДФ. Н 2 и 18 молекул АТФ.

Важно отметить, что физиологическое значение цикла Кальвина состоит не только в акцепции углекислого газа, но и в создании массы углеводных соединœений, которые идут как на синтез запасных веществ, так и на создание компонентов хлоропласта и текущий метаболизм клетки. .

Большинство растений усваивает неорганический углерод именно по пути цикла Кальвина. При этом довольно большая группа растений (около 500 видов) тропического происхождения выработала в процессе эволюции некоторую модификацию процесса, усваивая неорганический углерод путем образования в результате его акцепции четырехуглеродных соединœений. Это растения, приспособившиеся к фотосинтезу в условиях повышенной температуры воздуха и избыточной освещенности, а также пониженной влажности почвы (засухи). Из культурных растений обладают таким метаболитическим процессом кукуруза, просо, сорго, сахарный тростник. У ряда сорных растений также наблюдается именно эта особенность метаболизма (свинорой, просо куриное, щирица) и т.д.

Особенностью анатомического строения таких растений является наличие фотосинтезирующих клеток двух типов, которые располагаются в виде концентрических кругов - радиально расположенные вокруг проводящих пучков клетки обкладочной паренхимы и мезофилла. Этот тип анатомического строения принято называть кранц-типом (от немецкого Кranz -венок).

Этот тип метаболизма был изучен в 60-е годы прошлого века, большую роль сыграли при этом исследования советских ученых Карпилова, Незговоровой, Тарчевского, а также австралийских ученых Хэтча и Слэка. Именно они предложили законченную схему цикла, в связи с этим принято данный процесс называть также циклом Хэтча-Слэка-Карпилова.

Процесс происходит в два этапа: поступающий в мезофилл СО 2 вступает в соединœение с трехуглеродным соединœением (ФЕП) - фосфоенолпировиноградной кислотой - которая превращается в четырехуглеродное соединœение. Это и есть ключевой момент процесса, из-за которого он и получил свое название, так как неорганический углерод, акцептируясь трехуглеродным соединœением, превращается в четырехуглеродное соединœение. Учитывая зависимость оттого в какое именно четырехуглеродное соединœение превращается неорганический углерод различают три группы растений:

НАДФ-МДГ образуют яблочную кислоту при участии фермента малатдегидрогеназы, а затем пировиноградной кислоты,

НАД-МДГ образуют аспарагиновую кислоту и аланин,

ФЕП-КК образуют аспарагиновую кислоту и фосфоенолпировиноградную кислоту.

Наиболее значимые для сельского хозяйства растения относятся к НАДФ-МДГ типу.

После образования четырехуглеродного соединœения происходит его перемещение во внутренние клетки обкладочной паренхимы и расщепление или декарбоксилирование этой молекулы. Отделившаяся карбоксильная группа в виде CОО - входит в цикл Кальвина, а оставшаяся трехуглеродная молекула - ФЕП - возвращается опять в клетки мезофилла.

Такой путь фиксации углекислого газа позволяет растениям накапливать в виде органических кислот запас углерода, проводить процесс фотосинтеза в наиболее жаркое время дня при сокращении потерь воды на транспирацию за счёт закрытия устьиц. Эффективность использования воды такими растениями в два раза больше, чем у растений, происходящих из умеренных широт.

Для С 4 -растений характерны отсутствие обратного потока углекислого газа при фотодыхании и повышенный уровень синтеза и накопления органических веществ.

В 1965 г. было показано, что у одного из тропических растений - сахарного тростника - первыми продуктами фотосинтеза, по-видимому, являются кислоты, содержащие четыре атома углерода (яблочная, щавелевоуксусная и аспарагиновая), а не С 3 -кислота (фосфоглицериновая), как у хлореллы и у большинства растений умеренной зоны. С тех пор было выявлено много других растений, главным образом тропических (и в том числе имеющих важное хозяйственное значение), у которых наблюдалась точно такая же картина; они были названы С 4 -растениями . Из однодольных к ним принадлежат, например, кукуруза (Zed), сорго (Sorghum), сахарный тростник (Sacchamm), просо (Eleusine), а из двудольных - Amaranthus и некоторые виды Euphorbia. Растения, у которых первым продуктом фотосинтеза является С 3 -кислота (ФГК), называют С 3 -растениями. Биохимию именно таких растений мы до сих пор и рассматривали в этой главе.

В 1966 г. австралийские исследователи Хэтч и Слэк показали, что С 4 -растения гораздо эффективнее поглощают двуокись углерода, чем С 3 -растения: в экспериментальной камере они снижали концентрацию СО 2 в газовой фазе до 0,1 ч. на млн., а С 3 -растения-только до 50-100 ч. на млн. Это говорит о том, что у С 4 -растений низкая углекислотная точка компенсации . У таких растений практически незаметно фото дыхание.

Этот новый путь превращений углерода у С 4 -растений называют путем Хэтча-Слэка . Хотя этот процесс несколько различен у разных видов, мы рассмотрим, как он идет у типичного С 4 -растения - кукурузы. Для С 4 -растений характерно особое анатомическое строение листа: все проводящие пучки у них окружены двойным слоем клеток. Хлоропласты клеток внутреннего слоя - обкладки проводящего пучка - отличаются по форме от хлоропластов в клетках мезофилла , из которых состоит наружный слой (диморфизм хлоропластов). На рис. 9.29, А и Б показано, как выглядит эта так называемая "кранц-анатомия " (от нем. Kranz - корона, венец, кольцо; при этом имеются в виду два клеточных слоя, на срезе имеющие вид колец). Ниже мы рассмотрим биохимические реакции С 4 -пути (см. рис. 9.30).

Рис. 9.29. А. "Кранц-анатомия", характерная для С 4 -растений. Микрофотография поперечного среза листа росички кроваво-красной (Digitaria sanguinalis), демонстрирующая диморфизм хлоропласте в клетках мезофилла и клетках обкладки проводящих пучков. В клетках мезофилла видны многочисленные граны, а в клетках обкладки проводящих пучков содержатся только отдельные рудиментарные граны. В обоих случаях видны зерна крахмала, × 4000. Б. Электронная микрофотография листа кукурузы. В клетках мезофилла и в клетках обкладки проводящих пучков видны хлоропласты двух типов, × 9900

Рис. 9.30. Упрощенная схема С 4 -пути, сопряженного с фиксацией двуокиси углерода. Показано, как двуокись углерода попадает из воздуха в клетки обкладки проводящих пучков и как происходит ее окончательная фиксация в составе С 3 -кислоты - ФГК

Путь Хэтча-Слэка

Это путь, связанный с транспортировкой СО 2 и водорода из клеток мезофилла в клетки обкладки проводящего пучка. В этих клетках двуокись углерода фиксируется точно так же, как и у С 3 -растений (рис. 9.30), а водород используется для ее восстановления.

Фиксация двуокиси углерода в клетках мезофилла. СО 2 фиксируется в цитоплазме клеток мезофилла в соответствии с уравнением:

Акцептором СО 2 служит фосфоенолпируват (ФЕП), а не рибулозобисфосфат (РиБФ), а вместо РиБФ-карбоксилазы в этой реакции участвует ФЕП-карбоксилаза. У этого фермента есть два громадных преимущества перед РиБФ-карбоксилазой. Во-первых, у него более высокое сродство к СО 2 , и, во-вторых, он не взаимодействует с кислородом и поэтому не участвует в фотодыхании. Образующийся оксалоацетат превращается в малат или аспартат, которые содержат по 4 атома углерода. У этих кислот две карбоксильные (-СООН) группы, т. е. это дикарбоновые кислоты .

Малатный шунт . Через плазмодесмы в клеточных стенках малат переходит в хлоропласты клеток обкладки проводящих пучков. Там он используется для образования СО 2 (путем декарбоксилирования), водорода (за счет окисления) и пиру вата. Выделяющийся при этом водород восстанавливает НАДФ до НАДФ·Н 2 .

Регенерация акцептора СО 2 . Пируват возвращается в клетки мезофилла и используется там для регенерации ФЕП путем присоединения фосфатной группы от АТФ к пирувату. На это расходуется энергия двух высокоэнергетических фосфатных связей.

Итоговая "стоимость" С4-пути

На транспорт СО 2 и водорода из клеток мезофилла в хлоропласты клеток обкладки проводящих пучков расходуются две высокоэнергетические фосфатные связи.

Повторная фиксация двуокиси углерода в клетках обкладки проводящих пучков

В хлоропластах клеток обкладки проводящих пучков образуются СО 2 , НАДФ·Н 2 и пируват (см. выше о малатном шунте). Затем СО 2 повторно фиксируется РиБФ-карбоксилазой в обычном С 3 -пути, где используется также и НАДФ·Н 2 .

Поскольку каждая молекула СО 2 должна связаться дважды, затраты энергии при С 4 -фотосинтезе примерно вдвое больше, чем при С 3 -фотосинтезе. На первый взгляд транспорт СО 2 в С 4 -пути кажется бессмысленным. Однако двуокись углерода настолько эффективно фиксируется ФЕП-карбоксилазой клеток мезофилла, что в клетках обкладки проводящих пучков накапливается очень большое количество СО 2 . А это значит, что РиБФ-карбоксилаза работает в более выгодных условиях, чем у С 3 -растений, где такой же фермент функционирует при обычной атмосферной концентрации СО 2 . Тому есть две причины: во-первых, РиБФ-карбоксилаза, как и любой фермент, более эффективно работает при высокой концентрации субстрата, и, во-вторых, подавляется фотодыхание, так как СО 2 конкурентно вытесняет кислород из активного центра.

Поэтому главное преимущество С 4 -фотосинтеза состоит в том, что значительно возрастает эффективность фиксации СО 2 , а углерод не теряется бесполезно в результате фотодыхания. Этот путь скорее дополняет, а не заменяет обычный С 3 -путь. В результате фотосинтез у С 4 -растений более эффективен, так как в обычных условиях скорость фотосинтеза лимитируется скоростью фиксации СО 2 . С 4 -растения потребляют больше энергии, но энергия, как правило, не бывает лимитирующим фактором фотосинтеза; такие растения обычно растут в странах, где интенсивность освещения очень высока, а хлоропласты у них видоизменены так, чтобы еще лучше использовать доступную им энергию (см. ниже).

Хлоропласты клеток мезофилла и обкладки проводящих пучков

Важнейшие различия между хлоропластами в клетках мезофилла и в клетках обкладки проводящих пучков перечислены в табл. 9.7, отчасти они видны и на рис. 9.29.

Таблица 9.7. Особенности хлоропластов мезофилла и хлоропластов обкладки проводящих пучков у С 4 -растений

9.39. Какие хлоропласты лучше приспособлены для световых, а какие - для темновых реакций?

9.40. Почему отсутствие гран в хлоропластах обкладки проводящих пучков дает определенную выгоду?

9.41. Малатный шунт - это фактически насос для перекачки СО 2 и водорода. Какие преимущества он дает?

9.42. а) Как скажется понижение концентрации кислорода на С 3 -фотосинтезе? б) А как - на С 4 -фотосинтезе? Объясните ваши ответы.